"This dissertation is devoted to the computational investigation of supersonic gas flows in rectangular nanochannels with scales between 100 nm and 1000 nm, using an unstructured three-dimensional Direct Simulation Monte Carlo (U3DSMC) methodology. This dissertation also contributes to the computational mathematics background of the U3DSMC method with validations and verifications at the micronscale and nanoscale, as well as with the investigation of the statistical fluctuations and errors associated with U3DSMC simulations at the nanoscale. The U3DSMC code is validated by comparisons with previous two dimensional DSMC simulations of flows in micron-scale rectangular channels. The simulation involves the supersonic flow of nitrogen into a microchannel with height of 1.2 m and width of 6 m. The free stream conditions correspond to a pressure of 72,450 Pa, Mach number , Knudsen number and mean free path nm. The U3DSMC centerline temperature, heat flux to the wall, and mean velocity as a function of the transverse direction are in very good agreement with previous 2D results. Statistical fluctuations and errors in U3DSMC have added significance in nanoscale domains because the number of real particles can be very small inside a computational cell. The effect of the number of samples, the number of computational particles in a Delaunay cell, and the Mach number on the fractional errors of density, velocity and temperature are investigated for uniform and pressure-driven nanoscale flows. The uniform nanoflow is implemented by applying a and free stream boundary condition with m-3, K, nm in a domain that requires resolution of a characteristic length scale nm. The pressure-driven flows consider a nanochannel of 500 nm height, 100 nm width and 4 m length. Subsonic boundary conditions are applied with inlet pressure 101,325 Pa and outlet pressure of 10132.5 Pa. The analysis shows that U3DSMC simulations at nanoscales featuring 10-30 particles per Delaunay cell result in statistical errors that are consistent with theoretical estimates. The rarefied flow of nitrogen with speed ratio of 2, 5, and 10, pressure of 10.132 kPa into rectangular nanochannels with height of 100, 500 and 1000 nm is investigated using U3DSMC. The investigation considers rarefaction effects with =0.481, 0.962, 4.81, geometric effects with nanochannel aspect ratios of (L/H) from AR=1, 10, 100 and back-pressure effects with imposed pressures from 0 to 200 kPa. The computational domain features a buffer region upstream of the inlet and the nanochannel walls are assumed to be diffusively reflecting at the free stream temperature of 273 K. The analysis is based on the phase space distributions as well as macroscopic flow variables sampled in cells along the centerline. The phase space distributions show the formation of a disturbance region ahead of the inlet due to slow particles backstreaming through the inlet and the formation of a density enhancement with its maximum inside the nanochannel. The velocity phase-space distributions show a low-speed particle population generated inside the nanochannel due to wall collisions which is superimposed with the free stream high-speed population. The mean velocity decreases, while the number density increases in the buffer region. The translational temperature increases in the buffer region and reaches its maximum near the inlet. For AR=10 and 100 nanochannels the gas reaches near equilibrium with the wall temperature. The heat transfer rate is largest near the inlet region where non-equilibrium effects are dominant. For =0.481, 0.962, 4.81, vacuum back pressure, and AR=1, the nanoflow is supersonic throughout the nanochannel, while for AR=10 and 100, the nanoflow is subsonic at the inlet and becomes sonic at the outlet. For =0.962, AR=1, and imposed back pressure of 120 kPa and 200 kPa, the nanoflow becomes subsonic at the outlet. For =0.962 and AR=10, the outlet pressure nearly matches the imposed back pressure with the nanoflow becoming sonic at 40 kPa and subsonic at 100 kPa. Heat transfer rates at the inlet and mass flow rates at the outlet are in good agreement with those obtained from theoretical free-molecular models. The flows in these nanochannels share qualitative characteristics found in microchannels ad well as continuum compressible flows in channels with friction and heat loss. The rarefied flow of nitrogen with speed ratio of 2, 5, 10, at an atmospheric pressure of 101.32 kPa into rectangular nanochannels with height of 100 and 500 nm is investigated using U3DSMC. The investigation considers rarefaction effects with =0.0962 and 4.81, geometric effects with nanochannel aspect ratios of (L/H) of AR=1 and 10 and vacuum back-pressure. Phase plots and sample-averaged macroscopic parameters are used in the analysis. Under vacuum back pressure the centerline velocity decreases in the buffer region from its free stream value. For 0.481, 0.0962 and AR=1 the Mach number is supersonic at the inlet and remains supersonic throughout the nanochannel. For 0.481, 0.0962 and AR=10, the flow becomes subsonic at the inlet and shows a sharp increase in pressure. The Mach number, subsequently, increases and reaches the sonic point at the outlet. For 0.481, 0.0962 and AR=1 the translational temperature reaches a maximum near the inlet and decreases monotonically up to the outlet. For 0.481, 0.0962 and AR=10, the translational temperature reaches a maximum near the inlet and then decreases to come in near equilibration with the wall temperature of 273 K. "

博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Pour résoudre la limitation inhérente au procédé d’impression laser LIFT, une approche utilisant une double impulsion (DP-LIFT) a été développée au cours de cette thèse. Dans ce processus, une irradiation laser de durée de quelques dizaines de microsecondes crée un bain de métal en fusion et une seconde impulsion ultra-brève induit le mouvement du fluide, la formation d’un jet ou d’une goutte et le transfert du métal liquide. Cette thèse présente une étude expérimentale détaillée sur le processus DP-LIFT. L'influence des paramètres des deux irradiations laser a été étudiée en s’appyuant sur un ensemble de méthodes d'observation. Pour étudier l’influence de ces paramètres sur la dynamique de l’éjection, un modèle basé sur la conservation de l’énergie a été utilisé. De plus, nous avons démontré que, pour certaines configurations des diamètres respectifs des deux spots lasers, des nanojets focalisés étaient générés. Enfin, en conservant une épaisseur fixe du film métallique, des gouttelettes uniques, sans débris, d'un diamètre allant de 670 nm à 6,0 µm ont été imprimées avec une reproductibilité élevée. des matrices de piliers ont également été imprimées pour démontrer le potentiel de la méthode LIFT à double impulsion pour la fabrication de micro-structures 3D / To solve the inherent limitation of Laser-induced Forward Transfer (LIFT), a double pulse LIFT (DP-LIFT) approach has been developed in this thesis. In this process, a first long pulse laser irradiation creates a melted metal pool and a second ultrashort pulse induces the fluid motion and initiates the jetting transfer. This thesis provides a detailed experimental study on the DP-LIFT process. The influence of double pulse parameters on the jetting phenomena has been carefully studied by means of various observation methods. To predict the jetting behaviors, an energy balanced model has been used. Moreover, we demonstrated that for some configurations of the respective diameters of the two lasers, focused nanojets are generated from the melting pool. Finally, from a fixed thickness of the donor film, debris-free single droplets with diameters ranging from 670 nm to 6.0 µm have been printed with high reproducibility. 2.5 D pillars matrix are printed to demonstrate the potential of the double pulse LIFT method for the fabrication of 3D micro-structures.

L'interaction plasma-polymère constitue aujourd'hui une discipline à part entière en raison des très nombreuses applications auxquelles elle conduit, comme la fonctionnalisation de surface ou le dépôt de film mince possédant des caractéristiques physico-chimiques inédites. L'utilisation des polymères joue également depuis longtemps un rôle incontournable en micro et nanotechnologies, que ce soit en microélectronique ou pour la fabrication de MEMS. Une des opérations importantes dans ces domaines est la gravure de résine photosensible, celle-ci doit être soit parfaitement anisotrope afin de respecter les dimensions des motifs soit isotrope dans le cas d'enlèvement des résines utilisées comme masque. La maitrise de tels procédés plasma avec des spécifications aussi contradictoires nécessite une compréhension approfondie des mécanismes réactionnels.Dans ce contexte mon travail de thèse a pour objectif d'enrichir les modèles de gravure existants en prenant en compte la nature physico-chimique des polymères et les différents mécanismes réactionnelles puis de réaliser une validation expérimentale. Ce travail de compréhension me permettra de travailler sur un procédé innovant de gravure profonde en vue de la réalisation de filtres polymères pour la micro-filtration à partir de films plastiques.L'ensemble de l'étude expérimentale s'appuie sur un travail préliminaire de conception et de réalisation d'un réacteur prototype intégrant des sources plasma distribuées à conditions opératoire étendues, permettant un découplage des différents paramètres intervenant dans les procédés de gravure. / The plasma-polymer interaction is now a discipline in its own right because of the many applications to which it leads, as surface functionalization or deposition of thin film with unprecedented physical and chemical characteristics. The use of polymers also has long played a key role in micro and nanotechnology, both in microelectronics or MEMS manufacturing. A significant operations in these areas is etching photoresist, it must be either anisotropic perfectly to meet the dimensions of the patterns is isotropic in the case of removal of resins used as a mask. The mastery of such plasma processes with such contradictory specifications requires a thorough understanding of reaction mechanisms.In this context my thesis aims to enrich existing models of etching taking into account the physical and chemical nature of polymers and different reaction mechanisms and then perform an experimental validation. This work of understanding will allow me to work on an innovative process for deep etching for the realization of polymer filters for micro-filtration from plastic films.All the experimental study is based on a preliminary design work and construction of a prototype reactor incorporating plasma sources distributed operating condition ranges, allowing a decoupling of the different parameters involved in the etching processes.

Electrodeposition is one of the main techniques for fabricating conductive parts with one or two dimensions in the micron size range. This technique is utilized to coat surfaces with protective films of several micrometers thickness or fabricate standalone microstructures. In this process, an electrochemical reaction occurs on the electrode surface by applying an electric voltage, called overpotential. Different electrochemical practices were presented in the literature to obtain kinetic parameters of an electrochemical reaction but most of these practices are hard to implement for the reactions occur on a microelectrode. Toward addressing this issue, the first part of the dissertation work presents a combined experimental and analytical method which can more appropriately provides for the kinetic measurement on a microelectrode. Another issue which occurs for electrodeposition on microscale recessed areas is the deviation of the profile of the deposition front from the substrate shape. Non-uniform deposition front usually obtains for a deposit evolved from a flat substrate with microscale size. Consequently, a subsequent precision grinding process is required to level the surface of the electrodeposited microparts. In order to remove the need for this subsequent process, in the second and third parts of the dissertation work, multiphysics modeling was used to study the effects of the fabrication parameters on the uniformity of the deposit surface and suggest a design strategy. Surface texture of the deposit is another parameter which depends on the fabrication parameters. Several important characteristics of the electrodeposited coating including its wettability depend on the surface texture. The next part of the dissertation work presents an experimental investigation and a theoretical explanation for the effects of the overpotential and bath concentration on the surface texture of the copper deposit. As a result of this investigation, a novel two-step electrodeposition technique is developed to fabricate a superhydrophobic copper coating. In the last part of the dissertation work, similar investigation to the previous sections was presented for the effects of the fabrication parameters on the crystalline structure of the deposit. This investigation shows that nanocrystalline and superplastic materials can be fabricated by electrodeposition if appropriate fabrication parameters are applied. / Ph. D.

La métrologie de position est un domaine critique en microrobotique, où les forts facteurs d'échelle et les perturbations subies contraignent souvent à utiliser de nombreux capteurs hautes-performances. La vision offre alors des outils très intéressants, tant en termes d'encombrement que de nombre de degrés de liberté mesurables.Les travaux développés au cours de cette thèse ont pour but d'apporter, grâce à l'observation de mires pseudo-périodiques, des solutions aux différents verrous rencontrés classiquement dans ce contexte, notamment en termes de rapport plage/résolution ou de mesure multi-DDL. Plusieurs méthodes originales ont été proposées, éprouvées expérimentalement sur plusieurs types d'applications (mesure de position, asservissement visuel, mesure de force, etc.) et constituées en réponse aux différentes problématiques soulevées (précision nanométrique sur plage millimétrique, mesure 6 DDL, haute robustesse, etc.). / Position metrology is a critical domain in microrobotics, where high scale factors and perturbations often force to use numerous high-performance sensors.Vision offers very interesting tools, both in terms of congestion and number of measurable degrees of freedom.The work developed during this thesis aims at bringing, thanks to pseudo-periodic patterns, solutions to the different locks conventionally encountered in this context, in particular in terms of range-to-resolution ratio or multi-DDL measurement.Several original methods have been proposed, tested experimentally on several types of applications (position measurement, visual servoing, force measurement, etc.) and maded in response to the various problems raised (nanometric precision on millimetric range, 6~DDL measurement, high robustness, etc.).

Les micros ou nanostructures diffractantes sont utilisées depuis de nombreuses années pour sécuriser les documents sensibles, comme les cartes d'identité, les documents de voyage tels que passeports, visas, ou encore les documents fiduciaires. Cependant, le développement des techniques de reprographie et l'implication croissante des organisations criminelles rendent la contrefaçon des documents imprimés de plus en plus accessible. Jusqu'ici, les techniques de fabrication et surtout de réplication des structures diffractantes utilisées pour la protection anti-fraude imposaient une limitation sur l'épaisseur des structures qui typiquement ne pouvaient pas dépasser quelques centaines de nanomètres. Mes travaux de thèse s'inscrivent dans la recherche puis le développement des techniques, très avant-garde, de réalisation et de réplication de structures comportant un relief vertical pouvant atteindre plusieurs microns. La disponibilité de ce type de structures épaisses ouvre de nombreuses possibilités de nouvelles fonctions optiques et donc une nouvelle barrière importante contre la falsification des documents de sécurité. / Diffractive micro/nano structures are used for many years to secure sensitive documents such as identity cards, travel documents (passports, visas...). However, the development of reprographic techniques and the increasing involvement of criminal organizations make counterfeiting of printed documents more accessible. Until now, the manufacturing techniques and especially replication of diffractive structures used for anti-fraud protection imposed a limitation on the thickness of the structures that typically could not exceed a few hundred nanometers. My PhD work is part of the research and the development of very advanced mastering and replication techniques which can, thereafter, realize structures with a vertical relief of up to several microns. The availability of this type of thick structure opens many possibilities for new optical functions and thus a new major barrier against counterfeiting.

Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la réalisation d'un dispositif d'éclairage surfacique à géométrie planaire à base de structures plasmoniques, pour un fonctionnement à 633nm. Ce dispositif sera capable de convertir une lumière incidente cohérente en un faisceau de sortie uniforme sur la surface du dispositif, collimaté et avec un angle prédéfini par rapport au plan du dispositif. Pour réaliser ce dispositif, la solution envisagée est l'utilisation d'un réseau de guides d'onde diélectriques pour répartir la lumière sur la surface, et de chaînes de nano-structures d'argent couplées aux guides, dimensionnées comme des antennes pour réémettre la lumière hors du plan.Les travaux réalisés ont mis en évidence le contrôle du couplage entre le guide d'onde et la chaine de nano-structures d'argent, modulable par plusieurs paramètres dans une gamme comprise entre 10% et 90 % : nombre de particules, dimensions des particules, distance entre le guide et les particules. En jouant sur la période de la chaine, il est possible d'obtenir un rayonnement hors-plan, avec un angle déterminé par la formule des réseaux de diffraction. Des émetteurs élémentaires, composés d’un guide et de chaines de particules, ont été fabriquées en salle blanche et caractérisés sur un banc d’optique guidée à l'aide d'un montage de projection dans le plan de Fourier. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont en accord avec les simulations. De premiers résultats ont également confirmé expérimentalement la possibilité de moduler le couplage guide-chaine en modifiant les dimensions des particules. Enfin le réseau de guides d'onde a été dimensionné pour une surface d'1 cm² et fabriqué en lithographie par projection. Les pertes linéiques mesurées dans les guides d'onde sont de l'ordre de 5 dB/mm. Plusieurs optimisations peuvent être réalisées pour améliorer la qualité des guides. A partir des données expérimentales obtenues et des simulations de propagation de faisceau, une configuration réaliste de dispositif d’éclairage incluant le nombre et le positionnement des émetteurs sur le réseau de guides a été proposée. L’ensemble des travaux réalisés valident l’approche choisie. / This work has focused on the design and realization of a planar lighting device based on plasmonic structures, for a 633nm operation. This device will be able to convert a coherent incident light into a uniform output beam over the surface of the device, collimated and with a predefined angle with respect to the plane of the device. To achieve this feature, the proposed solution is the use of an array of dielectric waveguides to distribute the light over the surface, and silver nanostructures chains coupled to the waveguides and dimensioned as antennas to retransmit the light out of the plane. The work carried out has highlighted the control of the coupling between the waveguide and the silver nanostructures chain, modulated by several parameters in a range between 10% and 90%: the number of particles, particle size, distance between the guide and the particles. By playing on the period of the chain, it is possible to obtain an out-of-plane radiation, with an angle determined by the diffraction gratings formula. Elementary emitters, consisting of a guide and particle chains, were manufactured in a clean room and characterized on a guided wave optical bench with Fourier plane projection set-up. The experimental radiation patterns are in agreement with the simulations one. First results have also experimentally confirmed the possibility of modulating the waveguide-chain coupling by modifying the dimensions of the particles. Finally, the waveguide network has been dimensioned for an 1 cm² surface and manufactured with projection lithography. The linear losses measured in the waveguides are of the order of 5 dB / mm. Several optimizations can be made to improve the quality of the guides. From the experimental data obtained and the beam propagation simulations, a realistic configuration of the lighting device including the number and positioning of the transmitters on the waveguide network has been proposed. All the works carried out validate the chosen approach.

Le groupe Microsystèmes Silicium de l'Institut d'Électronique, de Microélectronique du Nord (IEMN - maintenant N=Nanotechnologie) a axé sa recherche sur les micro-actionneurs et leur environnement. Cela nous permet d'étudier des problématiques amont liées au micro-actionnement, à son interaction technologique, ainsi que des voies applicatives telles que les microsystèmes pour les télécommunications, la microrobotique, entre autres... <br />Dans la suite de cette introduction, quelques précisions sont données sur la terminologie de notre domaine de recherche, puis un bref historique retrace le développement de la recherche sur les microsystèmes dans le monde et en France.<br />Outre cette introduction, ce rapport se compose principalement de trois chapitres. Le premier, consacré aux micro-actionneurs, présente une partie des travaux effectués sur des études conceptuelles exploitant le potentiel de différents modes d'actionnement : transition de phase; électrostatique et thermique. <br />Le second chapitre décrit les activités de recherche effectuées dans le thème applicatif des microsystèmes pour les télécommunications. Il s'agit de travaux soutenus par de nombreux contrats de recherche nationaux ou européens. Deux composants en particulier ont été étudiés par trois doctorants. Emmanuel Quévy a étudié des résonateurs électromécaniques destinés à une application de filtrage dans la gamme intermédiaire de fréquence de la téléphonie mobile. Vincent Agache a étudié des résonateurs dont les fréquences propres se situent au voisinage du GHz. Les premières recherches effectuées à l'IEMN sur des microcommutateurs pour les signaux hyperfréquences sont également présentées<br />Le troisième chapitre est dédié aux résultats obtenus par Olivier Millet sur l'évolution de la raideur de microstructures soumises à un chargement cyclique. Il s'agit d'une partie de l'étude transversale des mécanismes de défaillance des microsystèmes destinée à la modélisation du phénomène de fatigue dans les microstructures.<br />Enfin, quelques perspectives de recherche impliquant les micro-actionneurs dans les microsystèmes seront présentées, suivies d'une conclusion

Les MEMS et NEMS résonants sont d'excellents candidats pour la réalisation de systèmes de détection de gaz haute résolution et faible couts ayant des applications dans les domaines de la sécurité, la défense, l'environnement et la santé. Cependant, la question du choix des techniques de transduction est toujours largement débattue. La transduction piézoélectrique pourrait être avantageusement exploitée mais elle est encore peu connue à l'échelle nanométrique. L'objectif de cette thèse est donc de progresser vers la réalisation de capteur de gaz à haute résolution à l'aide résonateurs à base de micro / nano poutres piézoélectriques en couvrant la chaîne de prototypage complète depuis les techniques de dépôt des matériaux jusqu'à l'expérience de preuve de principe de mesure de gaz. Pour cela, notre première contribution concerne la modélisation analytique des performances et l'optimisation, design et système, d'un capteur de gaz à base de poutres résonantes piézoélectriques. En particulier, nous démontrons que la diminution de l'épaisseur du film piézoélectrique actif sous la barre des 100 nm permet d'atteindre les meilleures performances. La deuxième contribution concerne la fabrication, la caractérisation et la démonstration des performances capteur de poutres résonantes de 80 μm de long exploitant un film piézoélectrique en AlN de 50 nm d'épais. Ainsi nous avons démontré expérimentalement la stabilité fréquentielle exceptionnelle de ces dispositifs atteignant des déviations standard de l'ordre de 〖10〗^(-8), au niveau de l’état de l'art. Ainsi, ils permettent la détection de vapeurs Di -Methyl -méthyl- phosphonates, un simulateur de gaz sarin, avec des concentrations aussi faibles que 10 ppb. Bien que le niveau d'intégration de notre système de détection ne soit pas suffisant, ces résultats prouvent le fort potentiel de ces résonateurs cantilever piézoélectriques pour un développement industriel futur. / Resonant MEMS and NEMS are excellent candidate for the realization of low cost and high resolution gas sensing systems that have several applications in security, defense, and environment and health care domains. However, the question of the transduction technique used to couple micro or nano scale signals to the macro scale is still a key issue. Piezoelectric transduction can be advantageously exploited but has been rarely studied at the nano-scale. The objective of this PhD is thus to progress toward the realization of high-resolution gas sensor using piezoelectric micro/nano cantilevers resonators and cover the whole prototyping chain from device fabrication to proof of principle experiment. Our first contribution in this research relates the analytical modeling of the sensing performance and the system and design optimization. In particular we demonstrate that decreasing the piezoelectric active film thickness below 100 nm is particularly beneficial. The second contribution relates the fabrication, characterization and demonstration of the high sensing performances of 80 μm long cantilevers embedding a 50 nm thick piezoelectric AlN film for transduction. These devices exhibit state of the art performances in terms of resonance frequency deviation down to the 〖10〗^(-8) range. They allow thus the detection of Di-Methyl-Methyl-Phosphonate vapors, a sarin gas simulant, with concentration as low as 10 ppb. Although the level of integration of our sensing system is not sufficient for real life application, these results prove the high potential of these piezoelectric cantilever resonators for future industrial development.